水肥一體化循環灌溉系統的設計與試驗

黃語燕，王 濤，劉 現，鄭鴻藝，吳寶意，陳永快

(福建省農業科學院數字農業研究所，福州 350003)

0 引 言

近年來，中國設施園藝發展迅速，截至2017年，設施園藝面積達到370 萬hm2，位居世界首位，為農村經濟發展、農民增收作出了巨大的貢獻[1]。但是，我國灌溉施肥方式仍然比較落后，擺脫不了“大水大肥”的做法，灌溉水有效利用率僅為40%～50%，遠低于荷蘭、以色列等國家70%～90%的水平[2-4]。生產管理憑經驗，水肥用量過多，嚴重制約著我國設施園藝的快速發展。

當前，我國已經開展了一些水肥一體化技術的研究。如：阮俊瑾等[4]研制了球混式精準灌溉施肥系統，提高了智能自動灌溉施肥控制的可操作性；江新蘭等[5]設計了基于兩線解碼技術的水肥一體化云灌溉系統，與傳統灌溉方式相比，水分利用率提高25%～40%；袁洪波等[6]設計了溫室水肥一體化營養液調控系統，使用該裝備能夠快速、精確的實現營養液的調控；蔡長青[7]等應用STM32嵌入式系統，設計溫室智能灌溉水肥一體化監控系統，可遠程控制系統作業的啟停；李堅等[8]設計了日光溫室小型水肥一體灌溉機，實現營養液的精準化控制。隨著水肥一體化技術的引進與研究，我國水肥一體化技術逐漸得到應用。目前，國外設施園藝發達國家都已經普及水肥一體化技術，并且廣泛采用封閉式循環灌溉系統，有效提高了水肥利用率、避免環境污染[9]。然而，我國在封閉式循環灌溉系統方面的研究較少，國外溫室以大型連棟溫室為主，造價高，其配套設施及生產管理模式不適于中國的發展實際[9]。本研究根據中國溫室的發展實際，設計了一種水肥一體循環灌溉系統，與溫室常規土壤栽培模式相比，節省了灌溉用水量、人工，提高了作物的產量。

1 系統設計

1.1 系統功能需求分析

溫室常規土壤栽培模式，大多采用大水大肥的管理模式，水肥不可回收，一部分水肥排入到土壤中，一部分水分蒸發到空氣中，只有部分水肥能夠被植物吸收，大大降低了水肥利用率、造成環境污染。另外，傳統的灌溉施肥方式費時費力，缺乏精準調控。水肥一體化循環灌溉系統，能夠根據作物的需求實現自動配肥和灌溉，實現精準調控。利用基質栽培實現了一個封閉式的栽培環境，水肥可循環使用，達到提高水肥利用率、節省人工，增加產量的目的。

1.2 基質栽培回收系統設計

由于栽培系統采用基質栽培，選擇條狀的椰糠基質袋作為栽培基質，一條基質袋尺寸為1 m×20 cm×12 cm(泡發開以后)，基質袋上部開有4個栽培孔、底部具有排水小孔，其余部分均封閉。基質栽培實現了一個封閉式的栽培環境，為水或營養液的收集提供了必要的條件，營養液回收子系統能夠實現過剩的水或營養液的回收利用。基質袋放置在PVC材質的栽培槽上，栽培槽底部為凹凸狀結構，凸槽起到支持基質袋的作用，凹槽作為營養液收集管道，經過集水斗后，由集水管道流至回收池。基質栽培回收系統結構如圖 1 所示。

1-配肥桶；2-灌溉管道；3-電磁閥；4-滴管；5-滴頭；6-基質袋；7-基質槽；8-集水斗；9-集水管道；10-回收池；11-回液管道圖1 基質栽培回收系統結構圖Fig.1 The structure chart of substrate culture recovery system

1.3 系統總體結構

水肥一體化施肥系統結構如圖2所示，由配肥系統、灌溉系統、營養液循環系統等三個部分組成。配肥系統的主要功能為把母液桶里的各種母液按一定的比例與水混合后，把配肥桶里的營養液配制成設定的EC、pH值。配肥系統主要包括進水電磁閥、配肥桶、配肥桶液位傳感器、出水水泵、EC傳感器、pH傳感器、母液桶、母液桶手動球閥、浮子流量計、吸肥電磁閥、文丘里管等組成。灌溉系統的主要功能為把配肥桶里的營養液按設定的灌溉時間和灌溉周期打到相應的灌溉區域。灌溉系統主要由出水總電磁閥、灌溉管道、分區電磁閥等組成。營養液循環系統主要由回收管道、回收池、浮球開關、回收池水泵、過濾器、紫外線消毒裝置等組成。

1-蓄水池；2-進水水泵；3-進水電磁閥；4-配肥桶；5-配肥桶液位傳感器；6-出水水泵；7-EC傳感器；8-pH傳感器；9-母液桶；10-母液桶手動球閥；11-浮子流量計；12-吸肥電磁閥；13-文丘里管；14-出水總電磁閥；15-壓力表；16-流量表；17-灌溉管道；18-分區電磁閥；19-栽培區；20-回液管道；21-回收池；22-浮球開關；23-回收池水泵；24-過濾器；25-紫外線消毒裝置；26-栽培區清水灌溉管道；27-清水灌溉電磁閥圖2 水肥一體化施肥系統結構圖Fig.2 The structure chart of Water and fertilizer integrated fertilization system

1.4 系統工作原理

系統以PLC作為控制器，人機交互界面觸摸屏作為監控設備。所述水肥一體化栽培系統營養液調控方式采用基于EC值和pH值的營養液調控方式，制備的過程是多種肥料母液和水充分混合并達到預設EC值和pH值的動態過程。系統開始工作之前，先在母液桶中配置好肥料母液，打開母液桶底部的手動球閥。系統開始工作時，打開進水電磁閥，使水流到配肥桶中，同時出水水泵從配肥桶底部抽取配肥桶里的營養液并通過EC、pH傳感器再經過文丘里管再次注入配肥桶中；與此同時，打開吸肥電磁閥，在文丘里效應的作用下各種肥料母液被吸到文丘里管中。這樣肥料母液和水在文丘里管里進行初次混合，在配肥桶內進行二次混合，兩次混合可以提高營養液的制備效率，增加水肥混合的均勻程度。當檢測到的營養液的EC和pH值在設定范圍內營養液就制備完成了。

灌溉系統采用分區灌溉，當肥液配制完成時，按照系統設置的灌溉方式，控制各個分區電磁閥的開閉以及開閉的時間。一個灌溉周期由灌溉時間與間歇時間組成。在灌溉時間內，控制系統啟動出水水泵、出水總電磁閥與相應分區電磁閥，營養液流經作物根系供給水分和養分。在間歇時間內，控制系統關閉該相應分區電磁閥，打開其他分區電磁閥，此時作物根系可充分吸收氧氣。種植人員可以根據作物的品種、生長期對灌溉時間、間歇時間進行調節。此外，系統還具有清水灌溉功能，打開清水灌溉電磁閥和相應的分區電磁閥即可完成清水灌溉。

營養液循環系統中當回收池中的液位到達一定高度時，浮球開關將打開，水泵開始抽水，經過濾器及紫外線消毒后注入到配肥桶中，實現營養液的回收利用。

2 系統軟件設計

2.1 PLC軟件編程

PLC實現的控制內容主要有：根據系統運行需要可手動控制電磁閥、出水水泵的開啟和關閉；需要灌溉時，進入灌溉模式，控制電磁閥、水泵的開啟和關閉，以便按照用戶要求的灌溉方式和灌溉量給作物灌溉；需要施肥時，進入配肥模塊，打開吸肥電磁閥，使肥料母液吸入文丘里管中，同時系統實時檢測配肥桶內水肥的EC、pH值，并與用戶設定的EC、pH值比較，以精確調整營養液的EC、pH值。系統控制流程如圖3所示。

圖3 系統控制流程圖Fig.3 System control flow chart

2.2 人機交互界面設計

通過人機交互界面觸摸屏可從PLC中實時采集數據，發出控制命令并監控設備的運行狀態，實現各種系統控制功能。主要實現如下6大功能：①灌溉程序設置：設置灌溉時間、灌溉量、灌溉區域；②施肥設置：EC、pH值設置、各肥料母液比例；③運行狀態：顯示各測量值以及設備運行狀態圖；④灌溉記錄：記錄系統灌溉區域、灌溉時間、灌溉用水量、灌溉水肥參數等，實現現場數據存儲；⑤手動控制：手動對電磁閥、水泵等輸出設備進行控制操作；⑥系統設置：設置系統參數。系統顯示界面如圖4、圖5。

圖4 控制系統功能顯示界面Fig.4 Function display interface of control system

圖5 控制系統運行狀態界面Fig.5 Operation state interface of control system

3 系統試驗

3.1 系統試驗

在福建省海峽農業示范園內選取兩個同類型的薄膜溫室，在兩個溫室內種植夏之光水果黃瓜。于8月12日播種，8月30日同時定植于兩個溫室內。溫室1采用基質栽培和本水肥一體化循環灌溉系統，水肥一體化控制系統實物如圖6所示。溫室2采用傳統的土壤栽培，在施用底肥后，采用水泵和定時器根據管理人員經驗進行滴灌。兩個溫室種植面積都為620 m2(長=31 m，寬=20 m)，每個溫室種植12排，每排種植124株，總共種植14 88株。在種植期間(8月30日-11月21日)，對兩個溫室內的灌溉用水量、產量、用工等情況進行統計。

圖6 水肥一體化控制系統實物圖Fig.6 Integrated water and fertilizer control system

3.2 結果分析

經實際運用證明系統運行穩定、操作方便、耐用性強。經測試，EC值控制精度為±0.2 mS/cm、pH值控制精度為±0.2。

兩個溫室用水量統計表如表1所示。由表1可知溫室1灌溉用水量為162.5 m3，溫室2灌溉用水量為243.8 m3。水肥一體化循環灌溉系統采用了基質栽培，實現了營養液的循環利用，基質袋也大大減少了水分的蒸發，水肥一體化循環灌溉系統用水量是傳統土壤栽培的66.7%。

兩個溫室水果黃瓜產量如表2所示。由表可知溫室1內小黃瓜總產量為2 894.9 kg，平均產量46 691.9 kg/hm2。溫室2內黃瓜總產量為2 501 kg，平均產量40 338.7 kg/hm2。水肥一體化循環灌溉系統黃瓜產量是傳統土壤栽培的1.16倍。

兩個溫室用工量如表3所示。由表可知溫室1水果黃瓜一個生長周期總用工量為174.5 h，平均每天需用工2.1 h。溫室2水果黃瓜一個生長周期總用工量為276 h，平均每天需用工3.3 h。水肥一體化循環灌溉系統黃瓜用工量是傳統土壤栽培的63.2%。

表1 兩個溫室用水量統計表Tab.1 Two greenhouse water consumption statistics table

表2 兩個溫室水果黃瓜產量Tab.2 Two greenhouse fruit cucumber yields

表3 兩個溫室用工量Tab.3 The amount of work used in two greenhouse

4 結 論

結合我國水肥一體化灌溉發展的需求，設計了一套水肥一體化循環灌溉系統。水肥一體化循環灌溉系統采用椰糠基質栽培，系統由配肥系統、灌溉系統、營養液循環系統等三大部分組成。系統采用PLC作為控制器，監控設備選用人機交互界面觸摸屏。通過控制肥水的EC、pH值和進入灌溉管道的肥水量來實現自動施肥灌溉，它能夠執行較精確的施肥過程，預防肥液施用不足或過量現象產生。經實際運用證明系統運行穩定、操作方便，EC值控制精度為±0.2 mS/cm、pH值控制精度為±0.2。水肥一體化循環灌溉系統用水量是傳統土壤栽培的66.7%，黃瓜產量是傳統土壤栽培的1.16倍，用工量是傳統土壤栽培的63.2%。